現代數值天氣預報之父

2020-12-06 中國氣象局

　　2002年北京國際數學家大會，不僅讓更多的中國公眾認識了數學和優秀數學家，也給自然科學各個領域的學者一個機會，來回顧和審視本學科與數學科學的聯繫。在氣象學領域，從20世紀初皮葉克尼斯用流體動力學方程統一描述大氣運動，到20世紀中期計算機成功應用於數值天氣預報，都是氣象學與數學、氣象學家和數學家緊密合作得到的。這些成果是在科學史上佔有重要地位的突破性進展。本文給讀者介紹美籍匈牙利數學和氣象學家馮·諾依曼。

　　1946年8月29-30日，在美國的普林斯頓大學的高級研究院，召開了一次對現代氣象學發展具有歷史意義的重要會議。這次被認為是世界上第一次數值天氣預報學術會議的組織者和主持人，不是當時著名的氣象學專家，卻是普林斯頓大學高級研究院的數學教授馮·諾依曼博士。

　　痴迷數學英才不辭年少約翰·馮·諾依曼（John von Neu-mann，1903-1957）1903年12月28日出生於匈牙利首都布達佩斯。他是當地一位小有成就和名氣的銀行家族中的第一個男孩。神採奕奕的父親在他出生前，就花錢為他買了個頭銜，諾依曼家族的後代也就首次獲得馮·諾依曼的姓氏。馮·諾依曼沒有辜負父親的苦心，從小就表現出極大的數學天賦，在他只有6歲時就可以心算兩個8位數乘除法。除了數學，馮·諾依曼8歲時還迷上了歷史，家中44卷本的大學歷史全書被他通讀了一遍，似乎是向人證明他的大腦會在邏輯數學和社會應用兩個領域顯示才智。馮·諾依曼的數學天賦很令父母吃驚，但他們始終鼓勵自己的孩子全面發展，特別是培養他良好的人格。

　　1914年，他剛剛10歲就進入大學預科班學習，但由於一次大戰的爆發，他隨全家離開匈牙利。雖然學習受到影響，但在戰後參加結業考試時，他還是以優秀的成績畢業。1921年，他17歲時，就在德國數學學會雜誌上發表了第一篇數學研究論文。就在這一年，他還和父親達成一致，除了數學還要學習化學。於是他進入柏林大學，兩年後又轉入蘇黎世大學學習化學。與此同時，頭腦靈活的馮·諾依曼沒有忘記自己最鍾愛的數學，他還在布達佩斯大學註冊了數學博士課程。然而，他在蘇黎世大學並不聽數學課，只是按時參加考試。1926年，他22歲就同時獲得了化學工程學學士和數學博士學位。

　　獲得學位後，他來到哥廷根大學，成為著名數學家希爾伯特的助手，1927-1929年又成為柏林大學和漢堡大學的兼職講師。在此期間，他致力於研究數理邏輯、集合代數和集合論等純數學理論，取得了公認的成績。1927-1929年，他以每個月發表一篇論文的速度在所研究的領域獲得許多成果，到1929年論文累計達32篇。他還積極參加各種學術活動，成為國際數學界的知名人物。

　　目光獨具開創數值預報1930年，馮·諾依曼應邀到美國普林斯頓大學，成為美國普林斯頓大學客座講師。1933年，33歲的馮·諾依曼博士，成為該大學高級研究院聘任的6位教授中最年輕的一位。1937年，他加入了美國國籍，同時因為在數理邏輯和量子力學方面突出的研究工作，他成為美國科學院院士。

　　從1933年開始，他將自己的研究領域逐漸從純數學向應用數學轉變，開始在腦子裡醞釀研製計算機計劃。1937年，他開始與美國海軍彈道研究實驗室合作，針對彈道的研究面臨很多計算問題，他要通過計算機代替人類完成科學計算的任務。而當時，更多的數學家沉溺於數學方程完整解的研究，對數學計算很是輕視，認為計算機不過是更大更快的計算器而已。他卻越來越清晰地認識到，計算機高速和準確的計算能力不但會給數學家，還會給自然科學各學科帶來意想不到的結果和突破。

　　1944年，馮·諾依曼正式成為美國第一臺通用電子計算機ENIAC（電子數字積分器和計算器）研製項目的顧問。1945年末，他成功地說服了高級研究院主任和理事會，在名義上和財政上（撥款10萬美元，而當時的美國無線電公司也僅值10萬美元）支持ENIAC項目。他很早就認為數值天氣預報是計算機在數學應用領域面臨的最重要的挑戰之一。1946年5月，他向美國海軍建議在項目內成立氣象組，同樣期待著更為準確的天氣預報的美國海軍非常明智和快速地支持了他的建議，從1946年7月開始支持和ENIAC項目捆綁的數值天氣預報計劃。於是，他就與包括羅斯貝、切尼等一批美國當時最有思想的氣象學家走到了一起，並且取得了具有劃時代意義的成果。

　　在1946年8月的那次會議之後的幾年裡，他的周圍總是聚集著許多最優秀的氣象學家和電子工程師，他們的目標只有一個：用剛剛誕生的數字電子計算機做出準確的天氣預報。這個目標終於在1950年4月初實現。在以1949年1月31日觀測紀錄為初值，進行歐洲地區24小時數值預報的試驗中，數值預報首獲成功。計算機輸出的結果將位於歐洲西部的風向轉換和反映大氣斜壓特徵的低槽延伸現象都正確地進行了預報。

　　英年早逝一生成就斐然1955年夏，X射線檢查說明馮·諾依曼患有癌症。1957年2月8日，年僅53歲的馮·諾依曼教授逝世，令人痛惜不已。

　　回顧他一生所從事的科學事業，組織和實施數值天氣預報僅是他一生學術成就的很小一部分。

　　然而，正是因為這項工作，馮·諾依曼和其他優秀的氣象學家一起改變了天氣預報的歷史。他在這項研究中提出並解決了電腦程式編制問題。他是現代數值分析中計算數學的締造者之一，對非線性方程的離散化及計算穩定性等重要的數學應用問題，以數值天氣預報為突破口，形成了一套理論和解決方案，其應用價值和受益領域遠遠超出了氣象科學。 （來源於2002年11月21日《中國氣象報》 作者：賈朋群）

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